Учёные научили квантовый компьютер исправлять ошибки без остановки вычислений

Группа исследователей из американского Университета Рутгерса, компании IBM и других научных организаций представила метод, позволяющий квантовому компьютеру отслеживать и исправлять ошибки прямо во время вычислений, без остановки работы. Результаты опубликованы в журнале Nature Physics.

Квантовые компьютеры отличаются от обычных тем, что работают не с битами, а с кубитами, способными находиться в нескольких состояниях одновременно. Это даёт им огромный потенциал для решения сложных задач, например в разработке лекарств. Но кубиты крайне чувствительны: шум, перепады температуры или электромагнитные помехи легко нарушают их состояние и превращают вычисления в хаос. Создание отказоустойчивого квантового компьютера, то есть устройства, устойчивого к таким сбоям, долгое время оставалось главной целью инженеров в этой области.

В новой работе учёные использовали чип IBM Quantum Heron, содержащий 156 кубитов, и задействовали цепочку из 100 кубитов. Систему запрограммировали на выполнение двух конкурирующих процессов: кубиты постоянно «перемешивали» информацию между собой, создавая беспорядок, а параллельно проводилась проверка их состояния с восстановлением порядка.

Оказалось, что результат зависит от частоты таких проверок. При редких вмешательствах хаос брал верх. Но когда проверки и сброс состояния кубитов стали происходить достаточно часто, вся группа из ста кубитов резко и синхронно перешла из хаотичного состояния в стабильное, управляемое. Физики называют такой скачок фазовым переходом — тем же термином описывают, например, превращение воды в лёд.

По словам профессора физики Рутгерса Джедедии Пиксли, одного из авторов исследования, проверки состояния кубитов нужно было проводить не один раз, а тысячи раз подряд во время работы машины, и аппаратное обеспечение справилось с этой задачей.

Интересно, что отправной точкой для исследования послужил дружеский спор: в 2021 году на дне рождения жены Пиксли его коллега Срирам Ганешан поспорил, что необычный квантовый эффект можно объяснить законами обычной физики, а проигравший должен был угостить победителя черничным мороженым. Пиксли проиграл спор, но в результате появилась новая теория, которую впоследствии проверили специалисты IBM.

Почему это важно

Способность квантового компьютера самостоятельно исправлять ошибки без остановки вычислений — один из ключевых шагов на пути к созданию по-настоящему отказоустойчивых квантовых систем. Пока такие машины не способны решать задачи, недоступные обычным компьютерам, но продемонстрированный эффект показывает, что управление квантовым хаосом в принципе возможно, а значит, путь к практически полезным квантовым компьютерам становится более реалистичным.